水泥土搅拌桩强度检测的技术研究

金毅

摘 要：对水泥土搅拌桩取芯试样强度不达标的原因进行分析并描述了一下目前的行业现状，同时提出了一些解决方法和新的检测方法的建议。

关键词：强度；水泥土；地质；龄期

水泥土搅拌桩无论作为被动土加固还是止水帷幕，在目前的工程中被大量应用，其桩体质量的检测方法主要有水泥土抗压试块、钻芯取样等。总体上来看，水泥土试块检测合格率极高，几乎100%，其能否真实地反映水泥土搅拌桩的实际强度还存在争议；现场钻芯取样是目前认可的能比较实在地反映搅拌桩实际强度、长度、连续性、均匀性的检测方法，但往往出现的情况是所得的试样强度达不到设计及规范的要求。文章就钻芯取样所得试样达不到要求的原因进行分析，并且探寻一些解决方法和新的检测方法。

1 钻芯试样强度的离散性

静安区60#地块工程，坑内加固采用掺量20%的水泥土搅拌桩，设计28d无侧限抗压强度1.0MPa。现场取芯进行了4次，分别位于4个区域：

上述几次水泥土搅拌桩的施工过程、施工质量、材料使用等都符合设计及规范要求，但取芯结果仍旧未达到设计要求的1MPa。从结论看“0.4～5.4”，数据的离散性很大，可见龄期对强度的影响较大，结合其他上海地区的工程中数据也会发现同样的情况，28d龄期的芯样真实强度基本都达不到1MPa，基本维持在0.5MPa左右，但90d龄期的试件基本可以达到1MPa的设计强度。

2 水泥土强度的原理

水泥土搅拌桩桩体强度是水泥、水、土三者的相互作用以及受到土质条件、桩身龄期影响后的共同结果。

2.1 水泥石骨架作用

水泥与土拌和后，水泥矿物所含的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙先与水进行水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙并形成其它具有胶结能力水化物，如：水化硅酸钙、水化硫铝酸钙、水化铁铝酸钙等水化物。上述水化物在土的空隙中相互交织搭接，将土颗粒包裹连接起来，使土逐渐丧失了原有的塑性等性质，并随着时间的推移形成浆状体凝结硬化，形成水泥石骨架，使加固的桩体形成一定强度。

2.2 离子交换及团粒化作用

在水泥水化后的胶体中，Ca（OH）2和Ca2+，（OH）-共存。而粘土矿物以SiO2为骨架而合成的板状或针状的结晶是其主要构成部分，通常其表面会带有Na+和K+等离子。析出的Ca2+离子会与土中的Na+、K+离子进行当量吸附交换，其结果使大量的土粒形成较大的土团。由于水泥水化生成物Ca（OH）2具有强烈的吸附活性，而使这些较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的链条状结构，有封闭土团间孔隙的作用，形成稳定的联结结构。

2.3 硬凝反应

随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+，当Ca2+的数量超过上述离子交换的需要量后，则在碱性的环境中与组成粘土矿物的部分SiO2和AlO3发生化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物。

2.4 碳酸化作用

水泥水化生成的Ca（OH）2，除了与粘土矿物发生化学反应外，还可以进一步与空气中的CO2反应生成CaCO3晶体，Ca（OH）2与土中的活性SiO2和Al2O3作用生成含水的硅酸钙和铝酸钙。

2.5 土质情况

水泥的水化物需要在强碱介质中才能硬化。当水泥稳定含粉粒和粘粒较多和塑性指数较大的粘性土时，氢氧化钙首先与粉粒和粘粒作用致使碱性介质不能顺利形成，从而妨碍水泥水化物的正常硬化，继而强度降低。

2.6 养护龄期

水泥的水化作用和固结作用会随着时间的增长逐渐完成，所以水泥土的强度会随着龄期的长短而有所不同。28天时水泥土的抗压强度等于养护龄期为7天时的1.4倍；水泥土的强度随着龄期的增长而提高，一般当龄期超过28天后仍有明显增长；当龄期超过90天后，水泥土的强度增长逐渐趋于平缓。

3 28d龄期芯样普遍达不到设计要求的原因分析

3.1 地质条件导致水泥硬化缓慢

由上段可知水泥的凝硬即水泥水化物的固结需要在碱性介质内完成，若加固区的土质为塑性指数较大的粘性土，则水泥中的氢氧化钙首先与粉粒和粘粒作用致使碱性介质不能顺利形成，从而妨碍水泥水化物的正常硬化。本人参考了静安寺多座地铁站的地质报告，地质情况大致如下表所示，这类土层分布的情况在上海城区也很有代表性。从中可以发现以一个25m深的基坑来说，搅拌桩加固区一般都处于饱和粘土层中，该土层塑性指数大，土颗粒粒径细小，势必致使碱性介质不能顺利形成，从而妨碍水泥水化物的正常硬化。

苏州部分地区的地质情况就与上海大不相同，以苏州地铁2号线为例，其地质情况如下表所示，可见苏州地铁搅拌桩加固区位于砂性以及粉性土中，该土层塑性指数一般均小于10，当时苏州地铁公司取芯的结果为合格。从开挖后的情况看，加固体“坚硬”、“有型”，还造成了开挖困难。

3.2 龄期不到导致强度不够

从前文芯样表格也可看出，龄期90天以上与龄期28天和60天的芯样强度差距很大。可见加固桩体的强度在如静安区的地质条件下需要一个相当长的发展过程，才能达到设计要求。

从最后2次取芯所得的60#地块工程水泥土搅拌桩芯样来看，外观湿软，手触能留下指印，强度很低。但将芯样剥开，从内部来看，水泥掺入土体的纹路，散发的水泥浆气味等又可以判定水泥掺量并非是完全造假；众所周知的将水泥土芯样放置一边吹风后，其强度马上又可达到设计强度的几倍。可见28d龄期对于搅拌桩芯样来说，不足以使其发展到应有的强度。

3.3 取芯队伍人员良莠不齐，设备落后

目前建筑市场上有很多挂靠在检测单位下专业取芯队伍，从他们的实际操作来看，大部分并不能达到“专业”二字的要求。在取芯的过程中，可以发现不同深度所需的钻机钻速、钻压、钻进速度等，都是凭以往经验，并没有一套明确的操作标准，遇到熟练工，取芯率就高，反之则只能“多取几个地方”。甚至有些人员的职业操守也存在问题，一根完整芯样取上来后，竟然人为地将其弄断。取芯的设备也为一般引孔的钻机，没有封底装置，“落芯”现象时有发生。

4 解决方法和新的检测方法的探讨

针对地质条件影响水泥硬凝的情况，可以借鉴水泥稳定土中掺加少量石灰以增加混合料强度的方法，根据工程所在地的实际地质情况，必要时可事先做试验，在搅拌桩所用的水泥浆中掺入增加碱性却又不与粘性土颗粒产生作用的添加剂，使搅拌桩注入土体中的溶液能顺利形成碱性介质，使水泥的硬凝具备条件。

现行的规范标准以及设计图纸中均要求水泥土搅拌桩28d钻芯取样，且无侧限抗压强度达到1MPa以上。应当组织专业单位及专家就龄期以及强度进行探讨，从真实、可行的角度来确定不同地质，不同地区的取芯龄期以及强度要求。

同时应当制定切实可行的取芯施工技术规范，取芯队伍的资质条件，人员的上岗资格、操作规程等。

在日本，对于水泥土搅拌桩的检测采用“现场水泥土浆液取样强度试验”的方法以验证现场水泥土施工质量是否符合设计要求。即将取样机固定于搅拌桩机的刀盘上，直接现场深层取浆，随后将浆液进行养护检测，得出检测结果。此类方法在上海解放日报大厦工程中已得到应用，只是局限于取浆机未普及，无法推广使用。但这个方法避免了现行取芯过程中对芯样的损伤，能比较真实地反映搅拌桩桩体质量，值得推广。

在国内，还有一种利用地质雷达反射波法和工程地震面波法检测桩体质量的方法，其原理有点类似桩基的低应变检测，同时具备简便、快捷、经济的有点，同样值得推广。

5 结语

水泥土搅拌桩的强度检测是地下工程中比较重要的一个环节，上文所言希望能够抛砖引玉，集思广益，使搅拌桩强度检测真正的规范起来，为以后的工程打下良好的基础。

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